一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法

摘要

一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法，其步骤如下：A、获取子带信号；B、自适应滤波，将采样时刻n＝kM自适应滤波器的第m个输入向量Xm(k)通过自适应滤波器得到采样时刻n＝kM的第m个输出值ym(k)，C、回声抵消，将第m个近端子带信号的第k时段抽取值与采样时刻n＝kM的第m个滤波器输出值ym(k)相减得到采样时刻n＝kM的第m个子带残差em(k)，D、滤波器抽头权向量更新，使用有偏补偿的归一化子带的方法，得出自适应滤波器在n＝(k+1)M时刻的抽头权向量w(k+1)：E、令k＝k+1,重复B、C、D的步骤,直至通话结束。该方法对通信系统的声学回声的消除效果好，收敛速度快，稳态误差小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法，属于通信的回声对消技术领域。

背景技术

回声存在于各种通信系统中，凡是在需要同时使用扬声器和麦克风的场合，例如免提电话、移动电话、网络电话以及电视电话会议系统中都不可避免地存在回声问题。以电视电话会议为例，因为扬声器和麦克风被置于同一空间，本地扬声器发出的远端语音被本地麦克风接收并传回远端，导致远端说话者听到自己的声音，这就是回声。在通信中，人耳又对于这种回声及其敏感，延迟10ms的回声就能被人耳捕捉感知到，超过32ms的回声就会对通信质量造成极大的干扰。因此，必须采取有效的措施来消除回声信号，提高语音通话质量。

目前，研究人员提出了多种方法来消除回声。在众多回声消除方法中，自适应回声消除技术具有逐步调节性能，应用成本低，收敛速度快，回声残差小，得到了研究学者们的一致认可，是目前国际上公认的最有前景的回声消除技术，也是回声消除目前采用的主流技术。自适应滤波器是能够根据输入信号自主调整性能进行数字信号处理的数字滤波器，作为对比，传统的非自适应滤波器(如有限脉冲响应数字滤波器，无限脉冲响应数字滤波器)的参数是静态的预先设定不可调整的。对于一些未知的环境来说，自适应滤波器能够在工作过程中逐步学习出所需的统计特性，并以此为依据自动调整滤波器系数，以达到最佳滤波的效果；一旦输入信号的统计特性发生变化，它又可以跟踪这种变化，自动调整滤波器参数，使滤波性能重新达到最佳。

自适应回声消除技术就是利用合适的自适应辨识策略来消除回声，通过一个自适应滤波器对实际未知的回声路径进行系统辨识是它的核心思想，并选取合适的自适应算法使滤波器的权系数与未知回声路径的脉冲响应相逼近，于是我们就可以获取回声估计信号，接着从近端接收到的信号中减去远端所获取的回声估计信号，从而把回声消除掉。自适应回声消除技术的核心是自适应回声消除算法。因此，如何完善和研究新的性能卓越的自适应回声消除算法是回声消除领域的主要研究方向。

在目前的自适应回声消除应用中主要采用归一化子带回声消除方法，见参考文献1“Improving convergence of the NLMS algorithm using constrained subband updates”(K.A.Lee和W.S.Gan，IEEE Signal Process.Lett.,vol.11,no.9,pp.736–739,Sep.2004.)与传统的归一化最小均方方法相比，该方法能够获得更快的收敛速度。然而，该方法在自适应滤波器输入信号带噪声的情况下表现出较大的稳态误差。

发明内容

本发明的发明目的就是提供一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法，该方法对通信系统的声学回声的消除效果好，收敛速度快，稳态误差小。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法，其步骤如下：

一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法，其步骤如下：

A、获取子带信号

将远端传来的远端信号采样得到在采样时刻n的远端信号离散值x(n)，通过分析滤波器组得到采样时刻n的M个远端子带信号x₁(n),x₂(n),...x_m(n),...x_M(n)，其中，m为子带序号，x_m(n)为第m个远端子带信号，M为子带数目，其取值为2、4、8、16、32；

将近端麦克风拾取的带回声的近端信号采样得到在采样时刻n的近端信号离散值d(n)，通过分析滤波器组得到采样时刻n的M个近端子带信号d₁(n),d₂(n),...d_m(n)...,d_M(n)；其中，d_m(n)为第m个近端子带信号；

在采样时刻n＝kM时，将该时刻的第m个近端子带信号d_m(n)＝d_m(kM)记为第m个近端子带信号的第k时段抽取值其中，k为抽取时段序号；

B、自适应滤波

将采样时刻n＝kM及其前L-1个时刻的第m个远端子带信号x_m(n)，构成自适应滤波器的第m个输入向量X_m(k)，X_m(k)＝[x_m(kM)，x_m(kM-1),...,x_m(kM-L+1)]^T，其中L为自适应滤波器抽头数，其取值为32、64、128、256、512、1024，T代表转置运算；

将采样时刻n＝kM的第m个输入向量X_m(k)通过自适应滤波器得到采样时刻n＝kM的第m个输出值y_m(k)，其中，w(k)为采样时刻n＝kM的自适应滤波器的抽头权向量，w(k)＝[w₁(k),w₂(k),...w_l(k)...,w_L(k)]^T，w_l(k)为采样时刻n＝kM的自适应滤波器的第l个抽头权系数，w(k)的初始值为零向量；

C、回声抵消

将第m个近端子带信号的第k时段抽取值与采样时刻n＝kM的第m个滤波器输出值y_m(k)相减得到采样时刻n＝kM的第m个子带残差e_m(k)，

将时刻n＝kM的各个子带残差e_m(k)通过综合滤波器组得到时刻n＝kM的残差e(kM)；并将时刻n＝kM的残差e(kM)传送给远端；在时刻n＝kM+M'，且M'＝1,2,3,...M-1时，令时刻n＝kM+M'的残差e(kM+M')＝e(kM)，并将时刻n＝kM+M'的残差e(kM+M')传送给远端；

D、滤波器抽头权向量更新

D1、计算有偏补偿向量

由下式计算有偏补偿向量c(k)：

$c\left(k\right)=\mu \underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{\delta w\left(k\right)}{\left|\right|X_m\left(k\right)|{|}_2^2}$

其中，||·||₂表示2范数，μ为自适应滤波器的步长因子，其取值范围为0～2，δ为有偏补偿因子，其取值范围为1×10^-8～1；

D2、滤波器抽头权向量更新

使用有偏补偿的归一化子带的方法，得出自适应滤波器在n＝(k+1)M时刻的抽头权向量w(k+1)：

$w(k+1)=w\left(k\right)+\mu \underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{X_m\left(k\right)e_m\left(k\right)}{\left|\right|X_m\left(k\right)|{|}_2^2}+c\left(k\right)$

E、令k＝k+1,重复B、C、D的步骤,直至通话结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

相比于传统的归一化子带回声消除方法，本发明在滤波器抽头权向量更新过程中添加了有偏补偿向量，能够有效地降低由输入噪声信号带来的滤波器抽头权向量与预期值的偏差，显著降低了算法稳态误差，表现出较好的回声消除效果。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明

附图说明

图1是参考文献1的方法和本发明方法的仿真实验归一化稳态失调曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，一种有偏补偿的归一化子带自适应回声消除方法，其步骤如下：

A、获取子带信号

将远端传来的远端信号采样得到在采样时刻n的远端信号离散值x(n)，通过分析滤波器组得到采样时刻n的M个远端子带信号x₁(n),x₂(n),...x_m(n),...x_M(n)，其中，m为子带序号，x_m(n)为第m个远端子带信号，M为子带数目，其取值为2、4、8、16、32；

将近端麦克风拾取的带回声的近端信号采样得到在采样时刻n的近端信号离散值d(n)，通过分析滤波器组得到采样时刻n的M个近端子带信号d₁(n),d₂(n),...d_m(n)...,d_M(n)；其中，d_m(n)为第m个近端子带信号；

在采样时刻n＝kM时，将该时刻的第m个近端子带信号d_m(n)＝d_m(kM)记为第m个近端子带信号的第k时段抽取值其中，k为抽取时段序号；

B、自适应滤波

将采样时刻n＝kM及其前L-1个时刻的第m个远端子带信号x_m(n)，构成自适应滤波器的第m个输入向量X_m(k)，X_m(k)＝[x_m(kM)，x_m(kM-1),...,x_m(kM-L+1)]^T，其中L为自适应滤波器抽头数，其取值为32、64、128、256、512、1024，T代表转置运算；

将采样时刻n＝kM的第m个输入向量X_m(k)通过自适应滤波器得到采样时刻n＝kM的第m个输出值y_m(k)，其中，w(k)为采样时刻n＝kM的自适应滤波器的抽头权向量，w(k)＝[w₁(k),w₂(k),...w_l(k)...,w_L(k)]^T，w_l(k)为采样时刻n＝kM的自适应滤波器的第l个抽头权系数，w(k)的初始值为零向量；

C、回声抵消

将第m个近端子带信号的第k时段抽取值与采样时刻n＝kM的第m个滤波器输出值y_m(k)相减得到采样时刻n＝kM的第m个子带残差e_m(k)，

将时刻n＝kM的各个子带残差e_m(k)通过综合滤波器组得到时刻n＝kM的残差e(kM)；并将时刻n＝kM的残差e(kM)传送给远端；在时刻n＝kM+M'，且M'＝1,2,3,...M-1时，令时刻n＝kM+M'的残差e(kM+M')＝e(kM)，并将时刻n＝kM+M'的残差e(kM+M')传送给远端；

D、滤波器抽头权向量更新

D1、计算有偏补偿向量

由下式计算有偏补偿向量c(k)：

$c\left(k\right)=\mu \underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{\delta w\left(k\right)}{\left|\right|X_m\left(k\right)|{|}_2^2}$

其中，||·||₂表示2范数，μ为自适应滤波器的步长因子，其取值范围为0～2，δ为有偏补偿因子，其取值范围为1×10^-8～1；

D2、滤波器抽头权向量更新

使用有偏补偿的归一化子带的方法，得出自适应滤波器在n＝(k+1)M时刻的抽头权向量w(k+1)：

$w(k+1)=w\left(k\right)+\mu \underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{X_m\left(k\right)e_m\left(k\right)}{\left|\right|X_m\left(k\right)|{|}_2^2}+c\left(k\right)$

E、令k＝k+1,重复B、C、D的步骤,直至通话结束。

仿真实验：

为了验证本发明的有效性，进行了仿真实验，并与参考文献1的方法进行对比。

仿真实验的远端信号x(n)采用极点为0.8的一阶自回归(AR(1))信号加信噪比为10dB的高斯白噪声，采样频率为8000Hz，采样点个数80000。回声信道脉冲响应在高2.5m，宽3.75m，长6.25m，温度20℃，湿度50％的安静密闭房间内获得，脉冲响应长度即滤波器抽头数L＝128。实验的背景噪声为高斯白噪声，信噪比为30dB。

按照以上实验条件，用参考文献1的方法和本发明方法进行回声消除实验。各种方法的参数具体取值如表1。

表1实验各算法的最优参数近似取值

仿真实验结果是通过独立运行50次平均得到的。图1是参考文献1的方法和本发明方法的仿真实验归一化稳态失调曲线。

从图1可以看出，在收敛速度相同的情况下，本发明比参考文献1的方法具有更好的稳态误差，稳态误差降低约4dB。因此，本发明具有更小的稳态误差，表现出更好的回声消除效果。